Régulation : cycle de charge d’une batterie au plomb

  Régulation sur une valeur de tension

 
On trouve ce type de régulation sur les alternateurs automobiles et certains régulateurs de panneau solaire ou d’éolienne. Souvent la valeur de tension qui détermine si la batterie doit être chargée par la source de courant est fixée à 13,6V.
L’algorithme de charge peut être résumé ainsi :

• Si la tension de la batterie est inférieure à la valeur de tension fixée, alors la batterie est chargée par la source de courant.
• Si la tension de la batterie est supérieure à la valeur de la tension alors la batterie est isolée de la source de courant.

Lorsque la source d’énergie est active (ex alternateur), la tension de la batterie est maintenue autour de 13,6V.

Cependant cette méthode adaptée pour les batteries de démarrage, présente les inconvénients suivants pour les batteries de servitude :

• La batterie n’est pas chargée au delà de 80% et la durée de charge est longue (la tension de charge étant trop basse).
• Il n’y a pas de phase d’absorption ni d’égalisation qui permettent d’homogénéiser l’électrolyte de la batterie à la fois par élément (batterie liquide) et entre les éléments.
• Le risque de sulfatation est plus important.

Si la tension est augmentée (certains alternateurs ont une valeur de tension réglable) à une valeur de tension plus élevée (par exemple à la tension d’absorption), ceci permettra de recharger la batterie à 100% de sa capacité mais conduira aussi à terme au séchage de la batterie (perte de l’eau de l’électrolyte).

Ce type de régulation n’est donc pas adapté aux batteries de servitude et c’est pour cette raison que la recommandation est de respecter un cycle de charge en trois phases décrit ci dessous.

Cycle de charge en trois phases (IuoU)

 
Quel que soit le type de batterie, la recommandation des constructeurs est de respecter un cycle de charge en trois phases. Ce qui diffère en fonction de la technologie utilisée, ce sont les valeurs de tension qui déterminent le passage d’une phase à l’autre et les temps de ces différents cycles.

Cycle de charge

Voici des caractéristiques typiques des valeurs de tension d’absorption et de floating en fonction du type de batterie :

Ces valeurs sont données à titre indicatif pour une température de 25 degrés. Les caractéristiques données par le constructeur doivent être prises en compte. On notera toutefois qu’il est important de disposer d’un régulateur prenant en compte les caractéristiques de charge des batteries.

Boost: Respecter l’intensité maximale admissible par la batterie

Lors de cette phase, le chargeur donne le maximum de sa puissance à la batterie. Il faut s’assurer que la batterie (le parc de batteries) est en mesure d’accepter cette intensité maximale. En fonction de la technologie et des constructeurs, la recommandation est de recharger la batterie de 20%(liquide) à 40%(gel ou AGM) de sa capacité en AH.
Si cette condition n’est pas respectée, les risques sont les suivants :

1. Vieillissement prématuré de la batterie dû au phénomène de bouillonnement. La batterie sèche et finalement, il n’y a plus d’électrolyte.
2. Charge inefficace: si la batterie est chargée à une intensité trop élevée, la tension d’absorption sera atteinte avant que la batterie soit rechargée à 80%. Le changement de phase se produira trop tôt, ce qui conduira à une sous charge de la batterie en fin de cycle.

A noter que pour une capacité équivalente, les technologies AGM et gel permettent des intensités maximales de charge plus importantes (de l’ordre de deux fois plus importantes). De par leur construction elles sont moins soumises au phénomène de bouillonnement (Le fait que l’électrolyte soit gélifié ou dans des séparateurs comprimés permet aux gaz (H2 et O2) de se recombiner dans l’électrolyte avant qu’ils n’atteignent la surface et ainsi de limiter les pertes d’eau).
En fin du cycle boost, la batterie est chargée à 80% dans la mesure où les intensités maximales ont été respectées.

Absorption

Durant cette phase, la batterie est chargée à tension constante, elle absorbe de l’énergie en fonction de son état de charge. Encore une fois, cette tension dépend du type de batterie, cette phase est raccourcie pour les batteries gel et AGM qui ont une résistance interne plus faible et absorbent ainsi des intensités plus importantes.
Il faut veiller à respecter la valeur de la tension, aussi appeler tension de gazage. Si cette tension est trop élevée, cela conduira au séchage de la batterie (la réaction de l’électrolyse de l’eau sera importante). Si cette tension est trop faible la batterie ne sera pas correctement chargée. En particulier, si l’intensité de charge est élevée (cas de la recharge par les alternateurs), il sera intéressant de prendre en compte la température pour corriger la valeur de la tension d’absorption.
L’intensité absorbée réduit pendant ce cycle de charge. La batterie est chargée quand l’intensité absorbée est inférieure à 2% de sa capacité en AH. Il faut néanmoins noter que la grande majorité des chargeurs n’utilisent pas ce paramètre mais utilisent plutôt un timer pour limiter la durée de cette phase.

Floating

La phase de floating consiste à appliquer à la batterie une tension très proche de la tension de la batterie au repos. Cette tension peut être appliquée pendant des années sans que cela porte préjudice à la batterie.
L’intérêt d’appliquer cette tension est double :

• Lutter contre le phénomène d’auto décharge qui peut conduire à la sulfatation de la batterie
• Fournir l’énergie des différents consommateurs tout en conservant la batterie chargée./li>

Phase d’égalisation

Cette phase est utilisée principalement pour les batteries à électrolyte liquide. Elle permet d’homogénéiser la densité de l’électrolyte. Le principe est d’appliquer une tension supérieure à la tension d’absorption.
Les phases d’égalisation présentent deux intérêts :

1. Le gaz généré permet de traiter la stratification dans chacune des cellules. La stratification désigne le fait que le mélange de l’électrolyte devienne non uniforme (l’acide a tendance à se concentrer dans le fond de la cellule), ce qui réduit le cycle de vie des batteries (oxydation des électrodes au dessus).
2. Traitement de la sulfatation: Les cristaux de sulfate se formant lors de décharges trop profondes répétées sont dissous grâce à cette phase d’égalisation, ce qui permet à la batterie de regagner sa capacité de départ

Cette phase doit être limitée en durée et en fréquence, en effet durant cette phase de surcharge, de l’eau est consommée et des phases d’égalisation trop fréquentes conduiront à un assèchement de la batterie.

Influence de la température

 
Comme mentionné dans le chapitre utilisation d’une batterie, une correction de 0.03 V/degré est à prendre en compte pour connaître l’état de charge de la batterie en fonction de la tension.

Ainsi, si l’on reprend le tableau ci dessus à 10 degrés et 40 degrés on obtient :

La température a donc une influence sur le cycle de charge, par exemple la tension de floating à 40 degrés est la même que celle d’absorption à 10 degrés. Il est donc important que ce paramètre soit pris en compte pour charger et préserver les batteries.

A noter que la sonde de température peut être intégrée au régulateur ou déportée sur la batterie. La deuxième solution est recommandée lorsque la batterie est soumise à de fortes charges (alternateur par exemple), puisque celles ci conduisent à une surchauffe de la batterie qu’il est nécessaire de prendre en compte pour assurer une charge convenable.

Comment déterminer l’état de charge

 
Déterminer l’état de charge (couramment appelé SOC (State of Charge)) de la batterie n’est pas une chose facile. Dans tous les cas, il faut noter que pour effectuer une charge correcte, il est nécessaire de prendre en compte la température. Ceci est particulièrement vrai lorsque l’intensité de charge est importante par rapport à la capacité de la batterie, ce qui conduit à un échauffement de la batterie.
Le tableau ci dessus donne une idée de la tension d’absorption en fonction de la température et de la technologie de la batterie.
La majorité des chargeurs utilisent la valeur de la tension pour déterminer dans quelle phase de charge se trouve la batterie. Il faut cependant noter que ce paramètre est loin d’être optimal pour avoir une idée claire de l’état de charge de la batterie (voir chapitre contrôle de l’état de charge). Une fois que la tension d’absorption est atteinte un timer est déclenché et, une fois le temps écoulé, le chargeur se positionne en mode floating. Ces types de régulateurs donnent toutefois des résultats satisfaisants dans la mesure où l’intensité maximale est adaptée au parc batterie et que ceux ci disposent effectivement d’un timer pour qu’il y ait véritablement une charge d’absorption.
D’autres régulateurs tels que les STECA disposent d’un algorithme propriétaire. Le régulateur prend en compte l’ensemble du courant qui arrive et qui sort de la batterie pour affiner la visibilité sur son état de charge. Cet algorithme est en auto apprentissage dans la mesure où, après un certain nombre de cycles, il permet d’avoir une bonne vue sur les caractéristiques de la batterie (capacité, âge…) et ainsi d’en optimiser la charge. Il faut aussi noter que ce type de régulateur permet d’avoir en permanence une bonne visibilité sur l’état de charge de la batterie.

Adaptation du régulateur à la source d’énergie

 
S’il est vrai que, quelle que soit la source d’énergie utilisée pour recharger la batterie, la courbe de charge doit être la même en fonction du type de batterie, le régulateur doit être adapté à la source de courant.

Régulateurs solaires

Ainsi, cela ne pose aucun problème de fonctionnement à un panneau solaire de le mettre en circuit ouvert (sans charge). Ainsi la majorité des régulateurs de panneaux solaires fonctionne selon le mode PWM (Pulse Width Mode) pour respecter le cycle de charge. En fonction du cycle dans lequel se trouve la batterie (boost, absorption ou floating), le panneau solaire est mis en contact puis coupé de la batterie (jusqu’à 160 fois par seconde), c’est ensuite la batterie qui absorbe ces impulsions et qui moyenne la tension appliquée en respectant la courbe de charge. Par exemple pendant la phase de boost, le panneau solaire sera connecté en permanence ; en phase floating, le panneau solaire sera mis uniquement une fois sur 160 en contact avec la batterie.

Une autre particularité de certains régulateurs de charge solaires est qu’ils supportent la fonctionnalité MPPT (Maximum Power Point Tracking). Un panneau solaire délivre le maximum de sa puissance à une tension/intensité donnée en fonction de la luminosité. Le principe de ce type de régulateur est de faire varier la charge d’entrée afin de se trouver sur ce point. Ce type de régulateur peut faire gagner jusqu’à 30% d’énergie par rapport à un régulateur standard.

Régulateurs pour Eolienne/hydrogénérateur

Une éolienne, contrairement à un panneau solaire ne peut être laissée en circuit ouvert ; si tel était le cas, ceci conduirait à la démagnétisation de l’aimant.
Par conséquent, les régulateurs devant être utilisés fonctionnent selon le principe de la diversion. Le régulateur est placé en parallèle à la batterie et, en fonction de la tension aux bornes de celle ci, il dévie l’énergie en provenance de la source vers la charge secondaire qui peut être par exemple un chauffe eau. Ainsi le courant produit par l’éolienne est utilisé soit pour recharger la batterie, soit par la charge secondaire.
Voici un schéma d’un tel montage:

Schéma d’un régulateur et d’une éolienne